پژوهش جدید: مسئله سه جسم کاملا آشوبناک نیست

مسئله معروف سه جسم بی‌نظم که توضیح می‌دهد چگونه سه جسم تحت نیروی گرانش با هم تعامل دارند، قرن‌ها دانشمندان را سردرگم کرده است. اکنون پژوهش جدیدی نشان می‌دهد این شرایط به حدی که دانشمندان فکر می‌کنند، بی‌نظم نیست.

پژوهشگران در شماره سپتامبر مجله‌ی Astronomy & Astrophysics گزارش کردند که وقتی راه‌حل‌های مسئله سه جسم براساس موقعیت اولیه سه جسم نسبت به هم ترسیم می‌شود، جزایری از پایداری از دل آشفتگی ظاهر می‌شود. به‌گفته‌ی آن‌ها این جزایر می‌توانند به دانشمندان در شناسایی سیاه‌چاله‌های درحال برخورد کمک کند.

تعاملات گرانشی بین دو جسم را می‌توان به‌طور مطمئن با استفاده از معادلات توصیف کرد. اما وقتی جسم سومی به این سیستم اضافه شود، شرایط به هم می‌ریزد، حرکات اجسام غیرقابل پیش‌بینی می‌شود و اغلب با بیرون افتادن یکی از اجسام از سیستم پایان می‌یابد. حتی تغییرات کوچک در جرم، سرعت یا موقعیت اولیه آن‌ها می‌تواند به پیامدهای بسیار متفاوتی منجر شود.

به‌طورکلی، پژوهشگران از آمار برای پیش‌بینی این موضوع استفاده می‌کنند که چقدر احتمال دارد هر یک از سه جسم از سیستم بیرون انداخته شود. اما وقتی الساندرو ترانی، فیزیکدان موسسه نیلز بور در دانمارک و همکارانش شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از مسئله‌ی سه جسم انجام دادند، نتایج آن‌ها با پیش‌بینی‌های آماری همخوانی نداشت.

آزمایش‌های ترانی و همکارانش با سیستم دوتایی شروع شد (دو جسم چرخان به‌دور هم) که جسم سومی از جایی دیگری در فضا به آن‌ها نزدیک می‌شد.

در بیش از یک میلیون شبیه‌سازی، پژوهشگران موقعیت دو جسم را در سیستم دوتایی و زاویه‌ای را که با آن جسم سوم به سیستم نزدیک می‌شد، تغییر دادند. آن‌ها سپس اجازه دادند سه جسم با هم تعامل داشته باشند تا درنهایت یکی از آن‌ها از سیستم بیرون انداخته شود.

در سیستمی که کاملا بی‌نظم است، حتی تغییر کوچکی در موقعیت یا زاویه سه جسم می‌تواند تعیین کند کدام جسم از سیستم بیرون انداخته شود. اما ترانی و همکارانش چندین دامنه از موقعیت‌ها و زوایا را پیدا کردند که در آن یکی از اجسام همیشه از سیستم بیرون انداخته می‌شد. این جزایر از نظم، آشوبناکی مسئله سه جسم را به چالش می‌کشد.

نواحی غیرآشوبناک می‌توانند پیش‌بینی دانشمندان از نحوه تعامل سه جسم در فضا را پیچیده کنند. پیش‌بینی‌هایی که دانشمندان معمولا برای این تعاملات نجومی به کار می‌برند، به آمار وابسته‌اند، اما به‌گفته‌ی ترانی، محاسبات آماریِ صرف در حل مسائلی که هم نواحی بی‌نظم و هم نواحی منظم را در برمی‌گیرند، کارآیی ندارند.

ترانی در گفتگو با لایوساینس می‌گوید نیاز داریم ترکیبی از پیش‌بینی‌های آماری را برای فضای آشوبناک و ترکیبی از تئوری‌های مکانیکی دارای نظم یا قطعی را برای فضای دارای نظم داشته باشیم و همچنین باید بدانیم چگونه نتایج را ترکیب کنیم. سخت‌ترین قسمت این‌جا است که بدون انجام شبیه‌سازی متوجه شویم مسئله سه جسم در کجا آشوبناک است و در کجا نظم دارد.

پیدا کردن نواحی باثبات همچنین می‌تواند به دانشمندان در شناسایی و درک امواج گرانشی کمک کند که هنگام تعامل یا ادغام سیاهچاله‌ها منتشر می‌شوند. تعاملات میان سه سیاه‌چاله که در خوشه‌های ستاره‌ای نسبتا فراوان هستند، می‌تواند باعث شود دو سیاه‌چاله به سمت هم حرکت کنند.‌ اما پیش‌بینی‌های این رویدادها فقط شامل آن‌هایی می‌شود که ناشی از تعاملات آشوبناک هستند. به‌گفته‌ی ترانی، ممکن است تعاملات غیرآشوبناکی در میان سه سیاه‌چاله وجود داشته باشد و این امر فرصت‌های بیشتری برای مطالعه‌ی امواج گرانشی فراهم آورد.